干旱区荒漠草原过渡带快速变化的陆面过程特征观测分析

干旱区荒漠草原过渡带下垫面受降水影响而变化,在短期内由沙漠转化为草地,因而其陆面过程特征快速变化十分显著,可能对区域天气或气候造成一定影响。本文利用2012年7~9月在腾格里沙漠南缘的荒漠草原过渡带开展的"微气象蒸发观测实验"的观测资料,通过分析强降水前后土壤温度、含水量、辐射及湍流通量,研究快速变化的陆面过程特征。结果表明:40 cm以上的浅层土壤温度在降水后降低,随着降水辐射效应的消失,土壤温度升高;而深层的土壤温度变化较小。土壤含水量对降水有明显的响应,20 cm以上的浅层土壤含水量迅速增大,而后缓慢减小;30、40 cm的土壤含水量先增大后迅速下降。7、8月的净辐射变化不大,在-50~450 W·m-2间变化。降水发生后,反射辐射和地表长波辐射较干旱荒漠有所降低,2~3 d后又恢复到干旱荒漠的量级。地表反照率在降水后先降后升,荒漠草地的地表反照率日均值较大,与地表含水量、太阳高度角及植被生长参数密切相关。感热和潜热在降水前后变化显著,潜热增大而后减小,感热减小而后增大,干旱荒漠地表能量传输以感热通量为主,强降水发生后,潜热通量占主导地位,而后由于蒸散发使土壤含水量减小,潜热的主导地位逐渐被感热代替。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区＂定西陆面过程综合观测试验站＂2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间;潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

稀疏植被地表反照率日变化对通量模拟效果的影响分析——以内蒙古荒漠草原感热和潜热通量为例

基于Noah陆面过程模式,利用内蒙古荒漠草原陆—气通量长期定位观测资料,模拟了地表反照率日变化对该荒漠草原感热和潜热通量的影响。结果表明,地表反照率的日变化将改善Noah陆面过程模式对内蒙古荒漠草原感热通量的模拟,但对受水分制约的潜热通量的改善效果不明显,表明准确地模拟地表反照率的日变化对模拟稀疏植被的感热通量至关重要。     

陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。     

干旱区陆面过程模型参数优化和地气相互作用特征的模拟研究

依据干旱区陆地下垫面观测结果, 对陆面过程模式Common Land Model (CoLM) 中反照率、 粗糙度长度和土壤热力性质3个方面的参数进行了优化, 并按照不同的参数组合形式设计了为加深理解干旱区地气相互作用的控制试验和研究重要参数影响的敏感性试验, 对敦煌戈壁2000年5月～2004年7月的陆面过程进行了离线 (off-line) 数值模拟分析。控制试验结果表明: 优化参数的模式在干旱区得到了更好的模拟性能, 对地表和深层土壤温度、 净短波辐射、 净长波辐射以及感热通量的模拟能力较原模式有了明显的提高。敏感性试验的结果表明: 地表温度在全年对反照率都比较敏感, 春季和夏季更为显著; 粗糙度长度和土壤热力性质分别在春夏和秋冬对地表温度有较大影响; 感热通量对反照率和粗糙度长度在夏半年比较敏感, 而土壤热力性质对感热通量的影响并不明显。对敏感性试验的结果进一步分析发现: 原模式在计算地表温度、 净辐射和感热通量的过程中存在不同形式的误差抵消的现象, 这就会掩盖模式的模拟误差, 优化参数的模式可以更好的反映干旱区地气相互作用的物理过程。针对模式输出的感热通量和地表热通量的分析发现: 感热通量的季节变化明显, 全年都有由地表向上的感热通量输送, 夏季尤为显著; 相对于感热通量而言, 潜热通量量级很小可以忽略不计。夏季, 净辐射的能量大部分以感热通量的形式返回大气, 其余的能量以地表热通量的形式进入土壤并贮存, 夏季土壤为热汇; 冬季, 夏季贮存的能量又由土壤返回大气, 此时土壤为热源。     

新疆东部黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至的生态脆弱区，具有丰富的太阳能资源。利用红柳河陆气相互作用观测站2019年4、7、9月观测资料，分析东疆黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征。结果表明：（1）地表辐射及能量收支各分量日变化均为单峰型。就不同季节而言，太阳总辐射和净辐射为夏季>春季>秋季，反射短波辐射为春季>夏季>秋季，地表和大气长波辐射为夏季>秋季>春季。（2）能量收支各分量季节变化明显，感热通量为春季>夏季>秋季，潜热通量为夏季>秋季>春季，地表土壤热通量为秋季>夏季>春季；能量分配在不同季节均以感热为主，地表土壤热通量次之，潜热通量极其微弱。（3）地表反照率日变化均为“U”型，在不同季节表现为春季>秋季>夏季，依次为0.29、0.27、0.26。东疆黑戈壁地表反照率整体较高，这是下垫面为黑色砾石所致。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

陆面过程模式对土壤含水量初值的敏感性研究

利用IAP94陆面过程模式,采用淮河流域能量与水份循环试验(HUBEX)期间两种下垫面(森林和旱田)、不同季节(5月、8月和11月)的观测资料,研究了模式对土壤含水量初值的敏感性.结果表明:对于森林和旱田下垫面,当土壤含水量减少时,地表净辐射均略有减少,同时潜热通量减少而感热通量增加.另外,模式对土壤含水量初值的敏感性有较明显的季节差异,相对而言在晚春和夏季较强,而在秋季明显减弱.这说明春夏季节的土壤含水量初值在淮河流域区域气候的模拟和预测中尤其值得关注.     

积雪覆盖对高寒草甸土壤温湿及地表能量收支的影响

利用青海玛沁微气象观测站降雪过程的观测数据,探讨了积雪覆盖对土壤温度,土壤体积含水量、土壤热通量及地表能量交换的影响。结果表明:积雪覆盖对浅层土壤温度的影响较为显著,而对深层土壤温度的影响十分微弱。地表有积雪覆盖时,浅层土壤温度日平均值升高,日变化幅度减小,日最低值升高,温度梯度绝对值减小。土壤完全冻结状态下土壤体积含水量几乎不受积雪覆盖影响,土壤融化状态下积雪覆盖会导致浅层土壤体积含水量日变化幅度减小,而对深层土壤体积含水量没有影响。积雪覆盖会减小浅层土壤热通量的日变化幅度。在总辐射相同的晴天条件下,当地表有积雪覆盖时,由于积雪的高反照率导致向上短波辐射增加,净辐射减小,同时感热通量减小而潜热通量增加,感热占比(H/Rn)下降,潜热占比(LE/Rn)升高。     

青藏高原东部不同季节积雪过程对地表能量和土壤水热影响的观测研究

选取青藏高原(下称高原)东部玛曲、玛多和垭口3个野外站点的观测资料,针对不连续积雪过程,研究高原东部不同季节的积雪过程对地表能量和土壤水热的影响.结果表明:受积雪高反照率的影响,高原东部地区各季节降雪后净短波辐射减小,净辐射较降雪前减小60％～140％;积雪积累期内感热、潜热及土壤热通量均减小,感热通量和土壤热通量出现...     

中美半干旱区地表能量通量变化特征比较

为了更为全面的认识中美半干旱区域陆气交换过程中地表能量水分循环机制,选取分别位于亚欧大陆和北美大陆上2个不同的典型半干旱区(中国北方半干旱带和北美半干旱区)作为研究区域,从地表通量交换的分析入手,以期全面深入认识半干旱区气候变化的物理机制和特点,进一步分析认识其干旱化趋势。结果表明,感热通量冬季最小,夏季次之;高净辐射、低土壤含水量的季节感热通量一般较高。在40°N以北的测站,降水较多的季节潜热通量较大。1979-2008年30年间,中国东部、东北部的半干旱地区气候变干,且在年代际尺度上可能具有持续干旱化趋势;北美各站点感热通量的长期变化趋势与温度变化的趋势相符,潜热通量和降水有较好的一致性,但站点并没有一致的变干或变湿趋势。中美半干旱区感热的年际变化和趋势明显受温度和平均土壤含水量的影响。潜热通量的年际变化和降水呈正相关,同时也受到温度变化的影响。     

青藏高原东南缘大理地区近地层微气象特征及能量交换分析

利用2008年1月-2010年2月青藏高原东南缘大理站的长期观测资料,初步分析了该地区近地层基本气象要素、辐射通量和湍流通量的日变化和季节变化.结果表明,各参数均表现出显著的日循环结构和干、湿季变化特征.近地层的风速、气温和动量通量等均在早晨最小、午后最大;相对湿度、地表温度等均是湿季高于干季.近地层2 m高度处的盛行风向,白天以东东南风和东风为主,夜间以静风和偏西风为主,并且盛行风向转变与日出、日落时间有较好的对应关系.地表辐射四分量最高值出现在正午,最低值出现在日出前.除向上短波辐射通量干季大于湿季外,其他辐射分量都是湿季大于干季.地表反照率表现出非对称的“U”形分布,早晨最大、傍晚次之及中午最小.早晚地表反照率差异可能是由于露水、东西两面山体不同程度遮挡以及云的影响造成的.感热、潜热通量全年有相似的日变化过程,变化幅度随季节变化,但潜热通量明显大于感热通量,表明地气热量交换中,感热作用小,潜热输送占主导地位.感热通量一天之中约在20:00出现最小值,这主要是由于风速减弱和地气温差回升影响热量交换系数造成的.地面对大气的加热作用明显,主要是以潜热方式加热大气;地面全年均为大气热源,白天表现为强热源,夜间则表现为较弱的冷源.     

半干旱地区吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验

简单介绍了吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验,该实验站同时也是国际协同加强观测计划(CEOP)的地面观测站.分析了2002年10月～2003年3月(CEOP-EOP3)非生长季观测到的近地面层微气象及能量通量资料.结果表明,在非生长季,半干旱地区农田和退化草地下垫面近地面层能量收支基本一致;感热通量占主要地位,占净辐射通量的70%左右;潜热通量及地热流都很小,通常小于30 W m-2.土壤温度日变化主要集中在地表以下20 cm土壤层,20 cm以下土壤温度日变化很小,但存在明显的季节变化.在非生长季,土壤表层10 cm厚度内,草地下垫面土壤体积含水量比农田大;20 cm以下深度土壤体积含水量的日变化很小,同样存在季节变化.     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。     

珠峰北坡地区地表辐射和能量季节变化的初步分析

对青藏高原地区地表能量的研究是一个十分重要的问题.利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2006年5月至2007年4月一年的观测资料,分析了青藏高原珠峰地区的地表能量,即净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量,得到了一些有关珠峰地区地表能量的结果,即太阳总辐射、大气长波辐射、地面长波辐射和净辐射呈现出明显的年变化特征,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量得到的日变化是很明显的.并且讨论了计算地表能量通量的方法及其优缺点.     

若尔盖高寒湿地-大气间水热交换湍流通量的日变化特征分析

湿地近地面水热交换对陆面过程乃至天气气候变化有着显著影响,准确量化湿地与大气间的水热交换通量具有重要意义。本文利用中国科学院西北生态环境与资源研究院若尔盖花湖湿地陆面过程与气候变化观测场(下称花湖观测场)2017年3月至2018年3月涡动相关系统的观测数据,各季节选取3个典型晴天,分析了若尔盖湿地近地面的感热通量和潜热通量日变化特征,并与鄂陵湖和玛曲草原的观测值进行对比,同时计算了湿地下垫面的能量闭合率。结果表明:若尔盖高寒湿地-大气间的水热交换过程存在着明显的日变化特征。感热通量和潜热通量的日变化过程都为单峰型,在14:00(北京时,下同)-15:00达到最大值,感热通量最大值可达101. 7 W·m-2。潜热通量最大值可达412. 6 W·m-2。寒冷干燥季节的感热通量日平均值比温暖湿润季节大18. 0%;而温暖潮湿季节潜热通量日平均值比寒冷干燥季节高68. 7%。本文还将湿地水热交换过程与玛曲草原以及鄂陵湖湖面的观测数据进行了对比发现:夏季,若尔盖湿地近地面与鄂陵湖湖面向大气输送的感热和潜热总量相当,但湿地日变化幅度远大于湖面,通常为湖面的4～7倍。玛曲草原夏季感热通量日变幅约为若尔盖湿地的1. 5倍,而湿地夏季潜热通量总量约为草原的1. 2倍。在地表向上的通量中,能量不平衡所占的比例:春季27. 7%,夏季22. 7%,秋季15. 7%,冬季19. 4%。湿地全年主要以潜热的形式向大气输送能量,夏季潜热通量占有效能量的比例可达58. 0%。     

黄土高原土壤湿度对地表能量和大气边界层影响的观测研究

利用黄土高原区域甘肃平凉地区陆面过程与灾害天气观测研究站2016—2017年夏季(6—8月)晴好天气下的观测资料,定量分析了平凉地区土壤湿度在干、中、湿三种不同状况下对地表辐射和地表能量分配及大气边界层的影响,并根据总体变化趋势,将土壤湿度进一步分为干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))和中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3)),与波文比、感热通量、潜热通量进行相关性分析,从而探究土壤湿度通过影响地表能量分配和大气边界层进而影响降水的可能物理机制。结果表明:(1)土壤湿度变化对反照率影响相对较小,对波文比影响显著,主要是影响感热、潜热变化,即影响地表能量分配过程。随着土壤湿度增加,潜热增大,感热减小,波文比显著降低;土壤湿度变化对地表净辐射影响显著,主要影响净长波辐射变化,随着土壤湿度增加,净短波辐射呈现略微增加,净长波辐射显著增加。(2)土壤湿度分区间分析结果显示,土壤湿度在干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))对潜热通量以及边界层高度的影响相比土壤湿度在中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3))的影响更大,即土壤偏干情况下,地表通量变化和大气边界层发展更显著。此次观测数据定量分析结果与理论机理较为一致,表明该观测数据的可靠性,可为数值模式在黄土高原区域的模拟提供重要的数据基础。     

北半球陆面过程对全球变暖响应特征的初步分析

利用NCAR气候系统模式CCSM3.0 IPCC AR420世纪气候（20C3M）和21世纪SRES A1B排放情景下的模拟结果,着重分析了未来北半球陆面情况对全球变暖的总体响应特征。对比分析模式对20世纪和21世纪SRES A1B情景下的模拟结果表明：北半球陆面的水、热过程在全球变暖背景下将发生显著的变化。伴随全球地面温度的持续升高,北半球陆面的净辐射通量、感热通量和潜热通量均表现出不同程度的上升趋势,其中潜热通量的增幅明显高于感热通量;伴随着全球变暖,地表的水循环也发生了明显的变化,具体表现为北半球降水持续增多,陆面蒸发明显增加,地表径流也呈现出总体增加的趋势,但土壤含水量则表现出减少的趋势。     

青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析

青藏高原地理环境复杂,已有大气陆面-边界层研究工作多集中于不同下垫面,很少有对复杂地形区的研究。本文利用青藏高原东南部林芝地区2013年5月20日至7月9日四个野外试验站点的观测资料,分析了不同天气条件下,高原复杂地形区不同下垫面的陆-气能量交换特征。结果表明:在各站向下短波辐射基本一致的情况下,地形较陡的北坡阔叶林站感热通量远大于其他3个站点;下垫面植被覆盖最多的南面麦田站潜热通量最大。各站能量通量有明显的日变化特征,晴天时,感热通量和净辐射明显大于阴雨天,而潜热通量随天气状况变化不大。青藏高原复杂地形环境比不同天气条件对于感热通量的影响更显著;不同地形阴雨天时对于潜热通量有明显的影响。当南亚季风槽前的西南暖湿气流影响到林芝地区时,该地区以阴雨天为主,反之则以晴天为主。林芝地区地-气通量的月内变化明显受南亚季风活动的影响。     

鄱阳湖地区湖-陆-气相互作用的观测分析

利用2013年6月1日—2014年5月31日鄱阳湖东岸70 m铁塔的涡动相关观测资料、鄱阳湖水文观测资料、鄱阳气象站常规气象观测资料等,对鄱阳湖地区湖-陆-气相互作用过程进行了分析。结果表明:鄱阳湖地区潜热通量明显较感热通量大,感热通量最大值出现时间较潜热通量早约1.0 h。摩擦速度则是白天比夜间大,且下半夜大于上半夜,正午最强,日落日出时段最小。湖-陆-气相互作用同样具有显著的季节变化特征,潜热通量最大出现在夏季,最小出现在冬季;而感热通量最大出现在秋季,最小出现在夏季。摩擦速度则是下半年大于上半年。该地区Bowen比全年小于1.0,夏季7月最小,冬季2月最大,大部分维持在0.14~0.61。分析湖体区的感热通量和潜热通量得到,来自湖体区的感热通量中午前后较明显,但夜间表现出季节差异,春季下半夜湖体区感热通量明显加大,夏季则整个夜间湖体区感热通量均较大,秋季相差不大,而冬季下半夜湖体区感热通量最小。潜热通量方面,来自湖体区的潜热通量总体较大,但同样存在季节差异。春季湖体区潜热通量均较大,而夏季除中午前后较小外,其余时段都明显大,秋季夜间湖体区潜热通量明显偏小,冬季午后湖体区潜热通量增大。同时,秋冬季节湖体区常会出现逆温现象。分析还得到,水面蒸发量、鄱阳湖水域面积和最高气温与潜热通量关系较大。